永磁同步电机电动汽车牵引高性能驱动系统研究

摘要

随着世界的汽车拥有量的急剧增加，能源问题和环境污染问题愈演愈烈，严重影响了人类赖以生存的环境。电动汽车具有无污染、无噪声的优点。电动汽车将成为将来世界汽车工业的主要潮流。如何研制性能更高，安全可靠性更好的电动汽车成为国内外汽车发展的焦点。电动机驱动控制技术作为汽车牵引的关键技术之一，对提高电动汽车的性能起着关键的作用。永磁同步电机(PMSM)具有驱动性能好，结构简单，体积小，重量轻，损耗小，效率高等优点，驱动系统中广泛采用永磁同步电机作为驱动电机。
　　本文主要从提高系统效率，加快速度动态响应，提高弱磁扩速能力，增强系统抗干扰能力和系统鲁棒性的角度，对电动汽车用永磁同步电机驱动控制系统的速度控制问题进行深入研究。首先介绍了永磁同步电机矢量控制方法原理，由于传统PI速度控制器不能适应永磁同步电机的非线性、参数变化和负载波动，难以实现无离合器电动汽车换挡时的电机速度与车轮速度的快速跟踪，造成电动汽车在复杂路况下的换挡困难，本文采用先进控制理论研究了一种单神经元内模速度控制器。与传统的PI速度控制器相比，该速度控制器动态响应快，超调量小，调节时间短，受电机参数变化和外部干扰对系统控制性能的影响小，鲁棒性好。其次，提出了一种超前角弱磁扩速方法。该方法使电机从额定转速以下切换到弱磁控制时，电流波动小，交直轴电流响应快，稳定性好。
　　在MATLAB/Simulink平台上，针对永磁同步电机矢量控制系统内模速度控制，在额定转速和弱磁升速时进行仿真研究，并分别与传统PI速度控制进行动静态性能对比分析。仿真结果表明，采用单神经元内模速度控制策略有效提高系统的动态性能，增强了系统抗扰动能力和系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性。
　　最后，设计和建立了以TI公司的TMS320F28335为控制芯片的永磁同步电机矢量控制系统实验平台，并做了相关实验。实验进一步验证了本文提出的基于单神经元内模速度控制的电动汽车永磁同步电机矢量控制系统的可行性和优越性。
　　仿真和实验结果表明，本文研究的永磁同步电机电动汽车驱动控制系统能使电机速度快速跟踪车轮速度，而受电机参数变化和负载波动影响小，能自动调节调节器参数，实现了无离合器电动汽车的平滑换档，且实现了宽范围调速，是一种高性能的驱动系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究的背景及意义

1．2 电动汽车电驱动系统的发展

1．2．1 国内外电动汽车的发展

1．2．2 电动汽车电驱动系统的组成

1．3 电动汽车高性能驱动系统的现状

1．4 电动汽车高性能电驱动系统的关键技术

1．4．1 电池能量管理技术

1．4．2 驱动电机控制技术

1．5 本文主要研究内容与论文结构

第2章 永磁同步电机矢量控制系统的数学模型及速度高性能控制

2．1 永磁同步电机的数学模型

2．2 永磁同步电机的dq轴数学模型

2．3 电动汽车永磁同步电机的负载分析

2．4 永磁同步电机速度控制器

2．4．1 传统的永磁同步电机速度控制器

2．4．2 基于内模控制的永磁同步电机速度控制器

2．4．3 永磁同步电机智能速度控制器

2．5 基于速度模糊PI高性能控制的永磁同步电机直接转矩控制系统的结构

2．6 基于速度内模高性能控制的永磁同步电机矢量控制系统的结构

2．7 本章小结

第3章 永磁同步电机内模高性能速度控制器的设计

3．1 基于单神经元内模控制策略的高性能速度控制器

3．1．1 单神经元内模控制原理

3．1．2 单神经元内模控制控制器的设计

3．2 弱磁升速控制

3．3 本章小结

第4章 基于单神经元内模控制的矢量控制系统仿真研究

4．1 永磁同步电机矢量控制仿真模型的建立

4．1．1 传统的永磁同步电机矢量控制仿真模型

4．1．2 基于单神经元内模控制永磁同步电机矢量控制仿真模型

4．2 仿真研究

4．2．1 额定转速以下控制系统仿真

4．2．2 弱磁升速时控制系统仿真

4．3 本章小结

第5章 电动汽车PMSM高性能驱动控制系统的实现

5．1 永磁同步电机控制系统硬件设计

5．1．1 系统硬件的总体结构设计

5．1．2 基于IPM的主电路设计

5．1．3 TMS320F28335最小系统设计

5．1．4 信号检测电路与调理电路设计

5．1．5 保护电路设计

5．1．6 电源电路设计

5．1．7 通讯接口电路设计

5．1．8 旋变接口电路设计

5．2 永磁同步电机控制系统软件设计

5．2．1 系统软件设计

5．2．2 主程序设计

5．2．3 中断程序设计

5．3 本章小结

第6章 实验研究

6．1 永磁同步电机矢量控制系统实验平台

6．2 实验结果及分析

6．2．1 额定转速以下速度控制实验

6．2．2 弱磁升速时速度控制实验

6．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录及参与的科研项目